X線の微小ビームをつくる

Ｘ線は光（電磁波）の仲間です．次の図をご覧ください．波長で言うと左の長い方にはラジオ波，マイクロ波，などの電波があります．われわれの目に見える可視光線はvisibleと記載したほんのわずかな領域です．波長がさらに短くなっていくと，ultrvaiolet，softXrays，hardXraysの領域になります．（ALS資料を加工．日本語の部分をKTが追加）

さて，X線を集光する凸レンズは作れません．その理由は，X線に対する物質の屈折率（n=1-δ-iβ）が，真空中（n=1）とほとんど同じ［わずかに1より小さい（δ~10^-6，従って，n≒１）］だからです．

物質による電磁波の散乱現象は，電場中に置かれた物質中の電子（それぞれの原子核に束縛されて存在）が，電場と同じ周波数で振動子し，振動する双極子（原子核と電子）から同じ周波数の電磁波が放射されることです．
原子核に束縛されながら振動している電子の周波数（原子の種類jにより固有の値）ω_jが，入射した電波の周波数ωに比べて，可視光線の場合はω<<ω_ｊ，X線領域ではω_j<<ωの違いがあり，これが，物質の光に対する屈折率が１より大きく，X線に対する屈折率が１より小さく（ほとんど１）なる原因です．

■X線に対する物質の屈折率はほとんど１でしたから，物資に入射したX線は屈折せず直進します．しかし，物質の屈折率が，1より小さいので，物質表面で全反射させることはできます．これを利用して，X線を集光する反射光学系がいろいろ作られています．

■もう一つのX線を集光する素子はゾーンプレート

2種類のX線顕微鏡の光学系を上に掲載しました．トロイダル・ミラーやシュワルツシルト光学系が使われる例と，ゾーンプレートが使われる例です．

Hichcock教授のSTXMでもゾーンプレートが用いられています．
以下で，ゾーンプレートの仕組みを解説します．ゾーンプレートは光に対しても，X線にたいしても効果がありますが，光源は単色光（波長λ）である必要があります．

ゾーンプレートは，下図のような同心の輪帯環よりなります．図の黒い輪帯環はX線をストップする金属膜がある輪帯環で，白い輪帯環はX線が通過できる輪帯環です．ゾーンプレート前面に入射するX線は，単色（波長λ）である必要があります．最初の白い輪帯環を通過したX線と，次の白い輪帯環を通過したX線の行路差は，焦点位置でちょうど波長分λだけ異なるようします．他の白い輪帯環でも同様で，すべての白い輪帯環を通り抜けたX線は，焦点までの行路で波長λの整数倍だけずれるようにするので，焦点位置で位相が全部そろい強め合います．こうして，単色（波長λ）のX線が焦点に集光できることになります．

Hitchcock教授のSTXM装置にはゾーンプレートが使われています．1st orderの焦点というのは，輪帯環を通る光（X線）が，波長λ分だけずれて集まる焦点で，3rd order 焦点というのは，隣の輪帯環では３λづつずれて集まる焦点です．　order sorting apertureの位置を調整して，1st orderの光（X線）だけ集光するようにします．この焦点がサンプル面上に来ます．